Software & Systems

В настоящее время актуальным является создание комплексных интегрированных систем автоматизации технологической подготовки производства, работающих под управлением СУБД в локальных вычислительных сетях (ЛВС) с использованием принципов сквозного проектирования. В Новгородском государственном университете разработана методология концептуального проектирования для интегрированной системы CAD/CAM/CAE [1,2]. Эта система уже успешно используется на ряде предприятий. Дальнейшие исследования направлены на развитие методологии проектирования с использованием систем понимающих изображения. Основной принцип данной методологии – это создание в процессе проектирования концептуальной схемы, описывающей взаимосвязи между элементами данных в реальном мире проблемной области технологии. Описание на этом уровне является частью модели системы и формируется на основе интеллектуальных конструкторско-технологических объектов, созданных на основе понимания изображения с использованием алгоритма, позволяющего разбить любое изображение на интервалы и осуществлять в дальнейшем их обработку (рис. 1). При этом используется эвристический метод распознавания элементарных объектов изображения. На основании этих действий в дальнейшем система формирует иерархическую параметрическую модель чертежа с использованием более сложных объектов (отверстия, пазы, уступы, элементы резьбы и т.д.).

В дальнейшем система обеcпечивает логический уровень представления взаимосвязей в структуре баз данных и баз знаний с использованием объектно-ориентированного проектирования и параметрического моделирования. Такой подход позволяет создать различные уровни абстракции конструкторско-технологических объектов и значительно уменьшить объемы как внутренней так и внешней памяти для математических моделей изделий (чертежей) по сравнению с существующими CAD-системами.

При традиционных методах проектирования формирование технологического процесса (техпроцесса) осуществляется путем ввода информации с чертежа в диалоговом режиме, что выполняется инженером и является весьма трудоемким процессом. Кроме того, из-за отсутствия у программы достоверной, полной и целостной системы данных о детали нет возможности “отфильтровать” базу данных типовых техпроцессов, отобрав лишь приемлемые еще до непосредственного диалога системы с технологом.

Решить эту и многие другие задачи автоматизации проектирования возможно с помощью систем распознавания образов. Таким образом, на основе блока распознавания конструкторско-технологических объектов можно создать систему, понимающую язык чертежа на основе механизма логического вывода и значительно углубить и поднять на новый уровень степень автоматизации проектирования техпроцессов.

В Новгородском государственном университете разработана cистема распознавания и векторизации изображений, позволяющая успешно решать эти проблемы. Система предназначена для преобразования растровых изображений в векторные модели чертежа, которые могут использоваться в различных САПР (CAD-системах). Как известно, растровое изображение имеет следующие существенные недостатки:

·       невозможность интеллектуализации образов для обработки с помощью CAD-систем;

·       слабые возможности для параметризации изображения (например, выражение диаметров колес в зубчатой паре как функции от передаточного отношения при заданном межосевом расстоянии);

·       большой объем памяти (дисковой и оперативной), необходимой для хранения даже сравнительно небольших изображений, причем этот объем несущественно зависит от сложности рисунка.

Система позволяет считывать любые изображения, полученные сканером в стандартных форматах растровых изображений (например PCX, BMP, GIF и т.д.), и преобразовывать их в векторную модель изображений, соответствующую стандартам CAD-систем (например формат файла DXF системы AutoCAD).

Перевод изображения из векторной формы в пиксельную является тривиальной задачей. Это необходимо, например, при выводе рисунка, полученного в CAD-системе, на устройство вывода (дисплей, принтер). Обратная же задача – получение решения, полностью исключающего участие человека, – при реализации сталкивается со множеством проблем. Решение этих проблем совершенно необходимо при передаче CAD-системам изображения, полученного с устройства ввода – сканера. При этом наиболее актуально получение математических моделей объектов проектирования на основе систем, понимающих изображения. Отличительной особенностью системы является использование оригинального алгоритма, позволяющего разбивать любое изображение на интервалы и проводить в дальнейшем их па- раллельную или последовательную обработку (рис. 2).

Вначале система осуществляет “утончение векторов”, при котором каждый элемент чертежа представляется вектором с толщиной линии один пиксел (см. модуль утончения на рис. 2). Далее осуществляется сегментация и “сшивка” векторов. При этом используется эвристический метод распознавания элементарных объектов изображения (линия, дуга, окружность). На основании этих действий в дальнейшем система формирует иерархическую модель чертежа с использованием более сложных объектов (параллелограмм, треугольник, эллипс, кривые произвольной фор- мы и т.д.).

В дальнейшем при синтезе техпроцессов используются аналитические зависимости в виде формул, технологических ограничений и логических условий, которые были получены для всего спектра возможных технологических операций и переходов. Следует отметить, что формулы во всех вариантах проектирования существенно отличаются как по структуре так и по составу, что создает определенные трудности при моделировании состава и структуры техпроцесса при создании системы автоматизированного проектирования. Решение этих проблем обеспечивается за счет использования механизма логического вывода в базе знаний системы. Реализация зависимостей осуществляется автоматически на основе реляционных баз знаний и баз данных с выбором необходимых параметров на основе логических выводов системы. В качестве итоговых документов система выдает сводную ведомость по трудоемкости обработки изделий, сгруппированную по видам обработки, а также маршрутно-операционную карту, где приведены нормы времени по операциям и технологическим переходам.

Идеология работы системы построена таким образом, что техническое нормирование осуществляется полностью автоматически на основе данных проектирования техпроцесса.

Модуль проектирования техпроцессов является ядром всей системы. Исходной информацией служат данные о заготовке и о заготовительной операции со всеми необходимыми атрибутами, которые поступают из модуля проектирования заготовки. Для проектирования технологических операций сборки и для групповых операций (для группы деталей, входящих в сборку) обеспечивается информационная поддержка из модуля "Формирование конструкторской спецификации" изделий [1].

Система охватывает широкий спектр операций механосборочного производства, среди которых выделены следующие группы: обработка резанием, слесарные операции, сварочные, термические и химико-термические, гальванические и т.д. В зависимости от группы операции системой выделяются объекты-операции и переходы, которые выбираются технологом на основе разработанной им структуры техпроцесса.

Активная роль в начале проектирования принадлежит модулю понимания  изображения (рис. 1), который помогает системе выделить технологический переход, связанный с конструкторско-технологическим объектом (например конус или сфера), а далее блок принятия решений автоматически синтезирует концептуальную модель набора переходов с автоматическим расчетом межоперационных размеров, припусков и числа проходов.

Система обладает элементами искусcтвенного интеллекта, то есть она предлагает свой, как правило, оптимальный вариант решения по принципу "делай так, как я предполагаю". Если возможно несколько решений, технолог может откорректировать решение из набора альтернативных подсказок системы.

При этом данные с чертежа вводятся только один раз, а все промежуточные размеры и технологическая размерная цепь формируются автоматически на основе базы знаний, где система автоматически выбирает следующие атрибуты техпроцесса: модель станка, режущий и мерительный инструмент, схему базирования, приспособление. Результаты решения предлагаются технологу для анализа. В случае необходимости технолог мо- жет откорректировать решение на любом уровне: либо до генерации техпроцесса, либо после. Затем система автоматически определяет технически обоснованные нормы времени, как и при заготовительных операциях, на основе укрупненной обобщенной модели трудозатрат по составляющим. Результаты заносятся в маршрутно-операционную карту, которая генерируется полностью автоматически по стандартной форме ГОСТ 3.1118-82.

При проектировании могут быть использованы два различных подхода:

метод анализа техпроцесса по прототипу из набора разработанных техпроцессов;

метод синтеза – проектирование нового техпроцесса.

В процессе проектирования методом анализа по прототипу система создает конкретный маршрутный техпроцесс по существующему и ранее записанному и архиве типовому процессу, а большинство новых проектных процедур выполняется автоматически на основе анализа вариантов локальных типовых решений с помощью блоков логических условий соответствия между различными технологическими параметрами.

При проектировании по методу синтеза система формирует техпроцесс без использования типовой маршрутной технологии. Однако при этом она формирует локальные технологические решения в виде набора переходов, который система подбирает технологу автоматически для обработки отдельных элементарных поверхностей по принципу "делай так, как я предполагаю".

Рис. 5. Определение структуры и состава переходов в системе

Варианты локальных типовых решений сформированы в системе в виде баз данных, управление которыми осуществляется специальной программой логических выводов, основанных на таблицах соответствий между параметрами логических операций, переходов, оборудования, режущих и мерительных инструментов, оснастки, квалитетов точности обработки соответственно чертежу, а также с учетом разряда рабочего, инструкций по технике безопасности и т.д. В системе предусмотрено обращение к среде ACAD, в которой заранее введены чертежи. Пользователь вызывает чертеж, а затем система из меню выбирает типовой конструкторско-технологический модуль. На основе этого модуля из чертежа автоматически передаются необходимые размеры для обработки. Полученные данные передаются в систему автоматизированного проектирования техпроцессов, где осуществляется преобразование и обработка информации.

Рис. 4. Выбор числа единиц допуска для элементарной поверхности

Таким образом, принцип действия системы представляет собой комплекс проектных процедур на основе экспертных оценок различных сочетаний элементов техпроцесса с автоматическим поиском информации в базах данных и с формированием маршрутной карты по методу композиционного синтеза и анализа при использовании типового техпроцесса. Типовой маршрут обработки формируется для детали-лидера (рис. 3). В качестве "лидера" выбирается деталь, которая содержит полный набор видов обработки для данного класса деталей. В архив заносятся типовые решения по различным классам деталей: 1) корпуса, 2) валы, 3) диски, 4) втулки, 5) рычаги и т.д. В дальнейшем типовой техпроцесс может быть вызван из архива по конструкторско-технологическому коду, который формируется в режиме работы с архивом в соответствии с конструкторским и технологическим классификатором в машиностроении.

Формирование конкретного маршрутно-технологического процесса (блок 3 на рис. 3) осуществляется путем выбора из архива типовых решений на основе правил выбора базы знаний и отбора нужных решений.

Таким образом, на выходе блока 2 (рис. 3) формируется таблица с записями последовательности видов обработки (блок 3) и с кода- ми видов обработки. Как видно из рисунка 3, в конкретном технологическом процессе, по сравнению с типовым, исключены позиции 8 (фрезерование), 11 (шлифование), 10 (термо- обработка).

Формирование техпроцесса на уровне переходов осуществляется на основе следующих процедур (рис. 4,5). При проектировании вначале назначаются только черновые переходы, так как чистовые и отделочные переходы, а также необходимое количество переходов система назначает автоматически на основе логического блока анализа допуска на обработку или заданного квалитета точности в соответствии с чертежом детали (см. блоки 4–6 на рис. 4 и 5).

Автоматический выбор переходов для элементарной поверхности представлен на рисунке 4. В зависимости от кода поверхности программа определяет входные данные для проектирования. Далее управление программой передается блокам 4–6 (см. рис. 4 и 5), где выполняются следующие процедуры по автоматическому выбору технологических переходов для заданного допуска на обработку или квалитета точности IT:

·     определение номера группы i интервалов, в которую входит заданный размер D, по условию Dmin<= D <=Dmax;

·     расчет числа единиц допуска А с = S / i;

·     поиск номера квалитета точности IT по условию Acmin<=Ac<=Acmax;

·     поиск необходимого набора переходов по условию ITmin<=IT<=ITmax;

·     окончательное формирование последовательности технологических переходов с вставкой типовых наборов технологических переходов и переносом отделочных технологических переходов в соответствующие места маршрутного техпроцесса, сформированного ранее в блоке 3 (граф. последовательности обработки по видам обработки).

В результате система позволяет освободить проектировщика от рутинной работы, связанной с вводом входных данных в диалоговом режиме, и повысить производительность проектирования.

Список литературы

1. Тихонов Н.И. Комплексная интегрированная система технологической подготовки производства на основе представления знаний. //Программные продукты и системы. –1996. -№1. -С. 13-18.

2. Тихонов Н.И. Концептуальное проектирование в интегрированных САD/CAM/CAE системах //Тр. III Международ. конгресса: Конструкторско-технологическая информатика-96 (22-24 мая 1996, М., СТАНКИН) -С.137-138.